GPS在大壩變形觀測(cè)中的應(yīng)用

胡小兵 陳 帥

（1.晉中市瀟河流域管理局，山西晉中 030600；2.晉中市松塔水利水電有限公司 山西晉中 030600；3.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西運(yùn)城 044004；4.山西運(yùn)城市普林工程設(shè)計(jì)有限公司 山西運(yùn)城 044004）

1 測(cè)區(qū)概況

松塔水電站壩址位于壽陽(yáng)縣草莊村的瀟河主流——松塔河上，控制流域面積1 174 km2，以城市生活、工業(yè)供水及水力發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等綜合利用。水庫(kù)庫(kù)容9 740萬(wàn)m3，大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高62.60 m。

大壩是水利樞紐的重要組成部分，起著防洪、調(diào)節(jié)水位的作用，它的安全運(yùn)營(yíng)狀況尤其重要，因此要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。位移監(jiān)測(cè)就是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。大壩變形監(jiān)測(cè)通常是建立高精度的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，由于受地形等條件的限制，這種監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形強(qiáng)度較差，從而使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位精度受到很大影響。另外傳統(tǒng)方法觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。利用GPS進(jìn)行水平位移觀測(cè)可獲得2 mm的精度位移矢量[1]。本次監(jiān)測(cè)分為基準(zhǔn)網(wǎng)平面復(fù)測(cè)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)平面測(cè)量。

2 基準(zhǔn)網(wǎng)平面復(fù)測(cè)

2.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的平面測(cè)量精度[2]

基準(zhǔn)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成。根據(jù)《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》2.1.2規(guī)定，本工程屬中型水利水電工程的土石建筑物施工期變形監(jiān)測(cè)，首級(jí)平面控制網(wǎng)可選用四等平面控制網(wǎng)。水平位移監(jiān)測(cè)擬采用GPS方法進(jìn)行，基準(zhǔn)網(wǎng)選取D級(jí)GPS網(wǎng)（相當(dāng)于四等精度）。

①相鄰點(diǎn)間基線長(zhǎng)度精度用下式表示：

式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長(zhǎng)中誤差mm）；

a——固定誤差（新布設(shè)GPS網(wǎng)采用儀器標(biāo)稱精度）；

b——比例誤差系數(shù)（新布設(shè)GPS網(wǎng)采用儀器標(biāo)稱精度）；

d——相鄰點(diǎn)間距離，km。

②同步環(huán)閉合差為:

③獨(dú)立閉合環(huán)或閉合路線坐標(biāo)閉合差應(yīng)滿足：

式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)；

⑤無(wú)約束平差后各基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值均應(yīng)滿足：

⑥約束平差后基線向量的改正數(shù)與無(wú)約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值均應(yīng)滿足：

dVΔX≤2σ；dVΔy≤2σ；dVΔz≤2σ。

⑦點(diǎn)位誤差≤3 mm。

2.2 基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)量實(shí)施

為了保證對(duì)原有平面控制點(diǎn)的正確使用，選取松塔水電站移交控制點(diǎn)ST01、ST02、ST03進(jìn)行復(fù)測(cè)，作為本次監(jiān)測(cè)計(jì)算和校核的基準(zhǔn)點(diǎn)。

根據(jù)原有控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，點(diǎn)位分布如圖1所示：

圖1 基準(zhǔn)點(diǎn)位分布圖

2.2.1 外業(yè)觀測(cè)

①基本情況

GPS測(cè)量使用3臺(tái)中海達(dá)V8型雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)，儀器標(biāo)稱水平精度2.5 mm+1ppm×D，高程精度 5 mm+1ppm×D。

外業(yè)觀測(cè)采用GPS靜態(tài)定位作業(yè)模式，觀測(cè)時(shí)段可在UTC時(shí)間0～24 h之間任意選取，但不得跨越UTC時(shí)間0 h（北京時(shí)間8 h）。GPS網(wǎng)觀測(cè)基本規(guī)定見(jiàn)表1。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

表1 GPS網(wǎng)觀測(cè)基本規(guī)定

①外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

D級(jí)GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理使用隨機(jī)軟件“HGO”軟件解算，按單基線雙差固定解作為最終結(jié)果。

②外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

根據(jù)數(shù)據(jù)處理后的基線雙差固定解按照2.1所述主要精度指標(biāo)對(duì)復(fù)測(cè)基線、同步環(huán)、異步環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，如超限應(yīng)剔除超限基線或重測(cè)，直到符合要求為止。

③平差計(jì)算

在基線向量檢驗(yàn)符合要求后，按照《GPS規(guī)范》的要求，進(jìn)行D級(jí)GPS網(wǎng)進(jìn)行無(wú)約束平差和約束平差。

④GPS網(wǎng)無(wú)約束平差

D級(jí)GPS控制網(wǎng)無(wú)約束平差以基線向量檢驗(yàn)符合要求后的三維基線向量及其相應(yīng)方差—協(xié)方差陣作為觀測(cè)信息，以ST02點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)為起算依據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差。

無(wú)約束平差中，各基線分量改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足：VΔx≤3σ；VΔy≤3σ；VΔz≤3σ。

⑤WGS-84坐標(biāo)系三維約束平差

為檢核高等級(jí)GPS點(diǎn)位精度情況，在D級(jí)GPS網(wǎng)三維約束平差前采用不同的方案進(jìn)行不同組合試算、并將平差結(jié)果與已知點(diǎn)成果進(jìn)行比較分析，以便剔除點(diǎn)位位移的高等級(jí)點(diǎn)，獲得最優(yōu)的平差方案。

平差結(jié)果應(yīng)輸出在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維或二維坐標(biāo)、基線向量改正數(shù)、基線邊長(zhǎng)、方位、轉(zhuǎn)換參數(shù)及其精度信息。

三維約束平差中，基線分量改正數(shù)與無(wú)約束平差結(jié)果的同一基線，相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值應(yīng)滿足：dVΔX≤2σ；dVΔy≤2σ； dVΔz≤2σ。 見(jiàn)表 2 同步環(huán)精度。

表2 同步環(huán)精度

⑥北京54坐標(biāo)系三維約束平差

利用無(wú)約束平差后的可靠觀測(cè)量，在北京54坐標(biāo)系下進(jìn)行三維約束平差，平差結(jié)果應(yīng)輸出在相應(yīng)坐標(biāo)系中的三維或二維坐標(biāo)、基線向量改正數(shù)、基線邊長(zhǎng)、方位、轉(zhuǎn)換參數(shù)及其精度信息。

三維約束平差中，基線分量的改正數(shù)與無(wú)約束平差結(jié)果的同一基線，相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值應(yīng)滿足：dVΔX≤2σ；dVΔy≤2σ；dVΔz≤2σ。見(jiàn)表3基線較差。

表3 基線較差

2.2.3 解算成果

經(jīng)過(guò)比較分析，由ST01、ST02作為已知點(diǎn)解算ST03，坐標(biāo) Δx=+2.4 mm，Δy=-18.8 mm；由 ST02、ST03作為已知點(diǎn)解算ST01，坐標(biāo)Δx=-0.8mm，Δy=+3.1mm；由ST01、ST03作為已知點(diǎn)解算ST02，坐標(biāo)Δx=+5.3mm，Δy=-4.9 mm?；€ST01—ST02長(zhǎng)度361.645 2 m，反算邊長(zhǎng)361.647 4 m，相對(duì)誤差為1/164 384；基線ST02—ST03長(zhǎng)度792.659 8 m，反算邊長(zhǎng)792.652 4 m，相對(duì)誤差為 1/107 115；基線 ST01—ST03長(zhǎng)度945.0425m，反算邊長(zhǎng)945.0331m，相對(duì)誤差為1/100 535。其解算均滿足四等1/8萬(wàn)精度要求?？紤]到ST03距離水庫(kù)較近，ST01和ST02距離水庫(kù)較遠(yuǎn)，且構(gòu)成網(wǎng)形強(qiáng)度較高，故以ST01和ST02作為平面監(jiān)測(cè)的起算點(diǎn)。

3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)平面測(cè)量

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平面測(cè)量精度

監(jiān)測(cè)網(wǎng)由部分基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。根據(jù)GPS網(wǎng)逐級(jí)布設(shè)的原則，監(jiān)測(cè)網(wǎng)平面測(cè)量選用E級(jí)GPS網(wǎng)。

E級(jí)GPS網(wǎng)的基線長(zhǎng)度、環(huán)閉合差、坐標(biāo)閉合差、重復(fù)基線較差等精度計(jì)算公式同2.2.1。

3.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量實(shí)施

3.2.1 外業(yè)觀測(cè)

采用E級(jí)GPS進(jìn)行平面測(cè)量。測(cè)量?jī)x器同2.2。根據(jù)基準(zhǔn)網(wǎng)的測(cè)量成果，選取ST01、ST02作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的起算點(diǎn)。組成網(wǎng)型結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)量如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)圖

3.2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

三維約束平差部分結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 三維約束平差結(jié)果

以ST01、ST02作為起算點(diǎn)解算，平差后坐標(biāo)和點(diǎn)位精度見(jiàn)表5。

解算點(diǎn)位精度最大1.136 mm，小于規(guī)范和方案設(shè)計(jì)要求3 mm。為了對(duì)其進(jìn)行外部數(shù)據(jù)檢核，利用全站儀對(duì)基線 ST01-C1-1、ST01-C1-2、ST01-C1-3、ST01-C1-4、ST01-C1-5、ST02-C6-1、ST02-C6-2、ST02-C5-3、ST02-C3-4、ST02-C3-5進(jìn)行符合，最大誤差為1.1 mm，最小為0.5 mm，滿足規(guī)范要求。

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)位精度

3.2.3 位移分析

為了監(jiān)測(cè)大壩的穩(wěn)定性，進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔為2個(gè)月一次，表6為第二次監(jiān)測(cè)變形量。

水平位移符號(hào)：X代表向上向下，Y代表向左向右岸。向下游為正，向左岸為正；反之為負(fù)。

表6 大壩變形量統(tǒng)計(jì)表

垂直位移符號(hào)：H向下為正，向上為負(fù)。

從上表可以看出，壩頂2排C1-1至C6-2變形量較大，超出了穩(wěn)定范圍3 mm，還在繼續(xù)沉降，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。壩身和壩底2排C1-3至C3-5基本穩(wěn)定，達(dá)到了穩(wěn)定期。

4 結(jié)論

利用GPS對(duì)大壩進(jìn)行測(cè)量是完全可行的，可以充分體現(xiàn)其操作簡(jiǎn)便、無(wú)需通視、勞動(dòng)強(qiáng)度小的特點(diǎn)，可以大大提高工作效率。但同時(shí)在布點(diǎn)、觀測(cè)時(shí)也應(yīng)注意其避開(kāi)高大建筑物、大面積水域、信號(hào)影響大的高壓塔、發(fā)射塔等，以提高GPS數(shù)據(jù)觀測(cè)的質(zhì)量。

［1］岳建平，華錫生.GPS在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.大壩觀測(cè)與土工測(cè)試，1996（ 4），26－29.

［2］中華人民共和國(guó)水利部.土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.